Wetenschap
Een nieuwe klasse sponsachtige materialen kan zichzelf assembleren tot nauwkeurig controleerbare structuren
Een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft zich laten inspireren door een grote verscheidenheid aan natuurlijke geometrische motieven, waaronder die van twaalfzijdige dobbelstenen en chips, om een reeks bekende ontwerpprincipes uit te breiden naar een geheel nieuw ontwerp. klasse van sponsachtige materialen die zichzelf kunnen assembleren tot nauwkeurig controleerbare structuren.
Hun theorie en rekenmodel, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , maakt een maximale ontwerpeconomie mogelijk, of de grootst mogelijke structuur met het minste aantal programmeerbare, zelfassemblerende onderdelen.
Een van de heilige gralen van de materiaalwetenschap is het nabootsen van het vermogen van de natuur om robuuste, complexe zelfassemblerende materialen te vormen die vervolgens structuren kunnen creëren die in staat zijn een breed scala aan functies te vervullen. Denk aan de kristallijne nanostructuren die zich op de vleugels van een vlinder vormen en waarvan de precieze vorm en grootte precies bepalen welke golflengten van licht moeten worden gereflecteerd, waardoor verschillende soorten hun kenmerkende markeringen krijgen.
"We werden geïnspireerd door de zelfassemblage van virussen", zegt Greg Grason, hoogleraar polymeerwetenschappen aan UMass Amherst en senior auteur van het artikel.
“Hoewel sommige virussen vanuit gezondheidsperspectief risico’s kunnen opleveren, hebben ze een ongelooflijk ‘zelfsluitend’ ontwerp. Velen hebben een stijve, zeer symmetrische bolvormige schaal, en deze schaal is opgebouwd uit zo min mogelijk eiwitarrangementen. ook precies de juiste maat:hoe groter ook, en het zou zijn gastheer niet kunnen infecteren, nog kleiner, en het virus zou niet krachtig genoeg zijn perfecte vorm, net als virussen, alleen willen we totaal verschillende soorten geometrieën ontwikkelen."
Grason en zijn team, waaronder collega's van de universiteiten van Brandeis en Syracuse, evenals co-hoofdauteurs Carlos M. Duque en Douglas M. Hall, die beiden dit onderzoek voltooiden als onderdeel van hun graduate studies aan UMass Amherst, zijn bepaald niet de eerste om geïnspireerd te worden door virussen.
In de jaren zestig realiseerden een paar structuurbiologen genaamd Donald Caspar en Nobelprijswinnaar Aaron Klug zich, geïnspireerd door de beroemde geodetische koepels van Buckminster Fuller, dat de structuur van zijn koepels ook virusomhulsels beschreef. Vervolgens leidden ze een reeks ontwerpprincipes af, de Caspar-Klug-symmetrieprincipes genaamd, die beschrijven hoe een constructie kan worden gebouwd die een zo groot mogelijk volume omsluit met zo min mogelijk bouwstenen.
"Geïnspireerd door de schoonheid en elegantie van de Caspar-Klug-constructie voor icosahedrale virale omhulsels, hebben we een routekaart ontwikkeld om economische ontwerpregels te vinden die ons kunnen helpen een breed scala aan zeer nuttige nanostructuren te ontwikkelen", zegt Duque.
Het Caspar-Klug-symmetrieprincipe beschrijft echter alleen structuren met positieve krommingen, of vormen, zoals een koepel, die in elke richting naar binnen buigen.
"We vroegen ons af wat er zou gebeuren als je de kromming omkeert, zodat de curven in tegengestelde richtingen van elkaar lopen, zoals een Pringles-chips", zegt Grason.
"Welke soorten zelfsluitende geometrieën zouden zich kunnen vormen met een negatieve kromming, en zouden ze de economie van de Caspar-Klug-assemblage kunnen behouden?"
Structuren met dit soort negatieve kromming hebben een sponsachtige structuur die is opgebouwd uit onderling verbonden gaten en buizen, en zijn in feite nauw verwant aan de fotonische nanostructuren die worden gevormd in de schubben van vlindervleugels.
Om hun vragen te beantwoorden ontwierpen Grason en zijn co-auteurs een computationeel model, waaruit bleek dat structuren met een drievoudig periodieke negatieve kromming inderdaad de economie van de assemblage konden behouden die Caspar en Klug bij bolvormige virussen observeerden.
"We zijn in staat om de economische aspecten van vormen met een positieve kromming uit te breiden naar een veel complexere reeks structuren die kunnen worden gerealiseerd door 'programmeerbare' bouwstenen samen te stellen die kunnen worden gemaakt met behulp van de benaderingen van DNA-nanotechnologie of de novo eiwitontwerp ”, zegt Grason.
"Ons werk modelleert het assemblageproces", zegt Hall.
‘Eerst komen een paar bouwstenen samen om een negatief gebogen stukje te vormen, zoals een aardappelchip met ruwe randen. Naarmate het stukje groter wordt, sluit het oppervlak zich in en vormt het kanalen die zich in alle drie de dimensies uitstrekken. kanalen is wat nieuwe potentiële materialen mogelijk maakt met briljante kleuren of het vermogen om geluiden te dempen."